地下工程课件第5章 地下工程支护结构类型及参数设计.ppt

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1、地下工程主讲：骆建军主讲：骆建军办办办办 公公公公 室：隧道中心室：隧道中心室：隧道中心室：隧道中心313313313313联系电话：联系电话：联系电话：联系电话：13611303609136113036091361130360913611303609 本课程主要内容：本课程主要内容：本课程主要内容：本课程主要内容：第一章：绪论（第一章：绪论（1 1讲）讲）第二章：地下工程环境及围岩分级（第二章：地下工程环境及围岩分级（2 2 讲）讲）第三章：地下工程主体规划与结构设计（第三章：地下工程主体规划与结构设计（3 3讲）讲）第四章：地下结构计算理论（第四章：地下结构计算理论（2 2讲）讲）第五章：

2、地下工程支护参数设计（第五章：地下工程支护参数设计（2 2讲）讲）第六章：地下工程防排水设计（第六章：地下工程防排水设计（1 1讲）讲）第七章：地下工程降水（第七章：地下工程降水（1 1讲）讲）第八章：地下工程施工方法（第八章：地下工程施工方法（3 3讲）讲）第九章：地下工程施工监控量测第九章：地下工程施工监控量测(1(1讲）讲）第一节第一节 地下工程结构体系地下工程结构体系 概述概述 地下工程的结构体系是由地下工程的结构体系是由围岩围岩和和支护结构支护结构共共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是构是辅助性的辅助性的，但通常也是必不可少的，在

3、某些，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。(一）概述一）概述第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计地地下下工工程程（如如隧隧道道）开开挖挖前前岩岩体体处处于于初初始始应应力力状状态态，谓谓之之一一次次应应力力状状态态；开开挖挖后后引引起起了了围围岩岩应应力力的的重重分分布布，同同时时围围岩岩将将产产生生向向地地下下工工程程内内的的位位移

4、移，形形成成了了新新的的应应力力场场，称称之之为为围围岩岩的的二二次次应应力力状状态态，这这种种状状态态受受到到开开挖挖方方式式(爆爆破破、非非爆爆破破)和和方方法法(全全断断面面开开挖挖、分分部部开开挖挖等等)的的强强烈烈影影响响。如如果果隧隧道道围围岩岩不不能能保保持持长长期期稳稳定定，就就必必须须设设置置支支护护结结构构，从从隧隧道道内内部部对对围围岩岩施施加加约约束束，控控制制围围岩岩变变形形，改改善善围围岩岩的的应应力力状状态态，促促使使其其稳稳定定，这这就就是是三三次次应应力力状状态态。显显然然这这种种状状态态与与支支护护结结构构类类型型、方方法法以以及及施施设设时时间间等等有有关

5、关。三三次次应应力力状状态态满满足足稳稳定定要要求求后后就就会会形形成成一一个个稳稳定定的的洞洞室室结结构构，这这样样，这这个个力力学学过过程程才告结束。才告结束。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计要要进进行行支支护护结结构构设设计计，就就必必须须充充分分认认识识和和了了解解以以下下五五方方面面的的问题：问题：围围岩岩的的初初始始应应力力状状态态，或或称称一一次次应应力力状状态态 ,这这部部分分内内容容已在前面章节中作了介绍；已在前面章节中作了介绍；开挖隧道后围岩的二次应力状态开挖隧道

6、后围岩的二次应力状态 和位移场和位移场 ；判判断断围围岩岩二二次次应应力力状状态态和和位位移移场场是是否否符符合合稳稳定定性性条条件件即即围围岩稳定性准则。一般可表示为：岩稳定性准则。一般可表示为：式中式中 、是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。、第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计 设设置置支支护护结结构构后后围围岩岩的的应应力力状状态态，亦亦称称围围岩岩的的三三次次应应力力状态状态 和位移场和位移场 以及支护结构的内力以及支护结

7、构的内力 和位移和位移 。判断支护结构安全度的准则，一般可写成：判断支护结构安全度的准则，一般可写成：式中的式中的 、是支护结构材料的物理力学参数。是支护结构材料的物理力学参数。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（二）围岩的二次应力场和位移场（二）围岩的二次应力场和位移场（1 1）隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态）隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态 计计算算围围岩岩的的二二次次应应力力场场和和位位移移场场，首首先先推推算算隧隧道道开开挖挖前前围围岩岩的的初初始始应应力力状状态

8、态 ，以以及及与与之之相相适适应应的的位位移移场场 。隧隧道道开开挖挖后后，因因其其周周边边上上的的径径向向应应力力 和和剪剪应应力力 都都为为零零，故故可可向向具具有有初初始始应应力力的的围围岩岩，在在隧隧道道周周边边上上反反方方向向施施加加与与初初始始应应力力相相等等的的释释放放应应力力。用用弹弹性性力力学学方方法法计计算算带带有有孔孔洞洞的的无无限限平平面面在在释释放放应应力力作作用用下下的的应应力力 和和位位移移 。而真实的围岩二次应力场及位移场为：。而真实的围岩二次应力场及位移场为：模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用下图表示。模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用下图表示。第五章地下工程

9、支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计隧道开挖所经历的力学过程模拟隧道开挖所经历的力学过程模拟第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计对对于于自自重重应应力力场场中中的的深深埋埋隧隧道道（不不考考虑虑构构造造应应力力场场及及其其他他应应力力场场），常常常常将将它它的的围围岩岩初初始始应应力力场场简简化化为为常常量量场场，也也就就是是假假定定围围岩岩的的初初始始应应力力到到处处都都是是一一样样。并并取取

10、其其等等于于隧隧道道中心点的自重应力，即中心点的自重应力，即式中式中 为隧道中心点的埋深，以为隧道中心点的埋深，以m m计，计，是围岩的侧压力系是围岩的侧压力系数，无量纲。数，无量纲。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计根据弹性力学原理，这个根据弹性力学原理，这个问题的求解还可以简化为问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式，而不考虑体积力的形式，而用在有孔无限平面用在有孔无限平面(无重的无重的)无穷远边界上作用有垂直无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形均布荷载和水平荷载的形式来

11、代替，如左图所示。式来代替，如左图所示。力学模型力学模型由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过的增加而减少。当埋深超过1010倍洞径时，其误差可以忽略不倍洞径时，其误差可以忽略不计。计。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（2 2）隧隧道道开开挖挖后后形形成成塑塑性性区区的的二二次次应应力力状状态态及及位位移移状态状态 塑塑性性应应力力区区域域是是由由于于多多数数围围岩岩具具有有塑塑性性这这一一性性

12、质质而而造造成成的的。塑塑性性就就是是指指围围岩岩在在应应力力超超过过一一定定值值后后产产生生塑塑性性变变形形的的性性质质。此此时时，应应力力即即使使不不增增加加，变变形形仍仍继继续续。当当围围岩岩内内应应力力超超过过围围岩岩的的抗抗压压强强度度后后，围围岩岩发发生生塑塑性性变变形形并并迫迫使使塑塑性性变变形形的的围围岩岩向向隧隧道道内内滑滑移移。塑塑性性区区的的围围岩岩因因变变得得松松弛弛，其其物物理理力力学学性质也发生变化。性质也发生变化。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（3 3

13、）无支护地下工程围岩稳定性及其破坏）无支护地下工程围岩稳定性及其破坏 地地下下工工程程围围岩岩稳稳定定性性是是指指地地下下工工程程（如如隧隧道道）围围岩岩在在开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。无支护地下工程围岩的失稳破坏有无支护地下工程围岩的失稳破坏有三种三种形式：形式：由于破碎围岩的自重作用，超过了它们脱离岩体由于破碎围岩的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而的阻力而多在顶部多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；、较少在侧壁处造成局部崩塌；第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护

14、结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计 由由围围岩岩应应力力重重分分布布所所造造成成的的应应力力集集中中区区域域内内的的围围岩岩强强度度破破坏坏而而形形成成的的崩崩塌塌。一一般般发发生生在在脆脆性性岩岩体体中中，且且在在多多数数情情况况下下，岩岩体体破破坏坏从从坑坑道道侧侧壁壁开开始始，同同时时岩岩体体的的破破坏坏和和位位移也可能发生在顶部和底部；移也可能发生在顶部和底部；在在塑塑性性围围岩岩中中，稳稳定定的的丧丧失失是是由由于于塑塑性性变变形形的的结结果果，岩体产生了过度的位移，岩体产生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。但无明显的破坏迹象。第五章地下工程支护结构类型和参数设计

15、第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计三、地下工程围岩与支护结构的共同作用三、地下工程围岩与支护结构的共同作用（1 1）收敛和约束的概念）收敛和约束的概念 开开挖挖地地下下工工程程时时，由由于于临临空空面面的的形形成成，围围岩岩开开始始向向洞洞内内产产生生位位移移，这这种种位位移移我我们们称称之之为为收收敛敛。若若围围岩岩强强度度高高，整整体体性性好好、断断面面形形状状有有利利，围围岩岩的的变变形形到到一一定定程程度度，就就将将自自行行停停止止，围围岩岩是是稳稳定定的的。反反之之，岩岩体体的的变变形形将将自自由由地地发发展展

16、下下去去，最最终终导导致致地地下下工工程程围围岩岩整整体体失失稳稳而而破破坏坏。在在这这种种情情况况下下，应应在在开开挖挖后后适适时时地地沿沿地地下下工工程程周周边边设设置置支支护护结结构构，对岩体的移动产生阻力，形成对岩体的移动产生阻力，形成约束约束。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（1 1）收敛和约束的概念）收敛和约束的概念相相应应地地支支护护结结构构也也将将承承受受围围岩岩所所给给予予的的反反力力，并并产产生生变变形形。如如果果支支护护结结构构有有一一定定的的强强度度和和刚刚度

17、度，这这种种隧隧道道围围岩岩和和支支护护结结构构的的相相互互作作用用会会一一直直延延续续到到支支护护所所提提供供的的阻阻力力与与围围岩岩应应力力之之间间达达到到平平衡衡为为止止，从从而而形形成成一一个个力力学学上上稳稳定定的的隧隧道道结结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态三次应力状态。（2 2）地下工程围岩支护后的围岩应力状态及位移状态）地下工程围岩支护后的围岩应力状态及位移状态 隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构

18、类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计 一一种种是是开开挖挖后后的的二二次次应应力力状状态态仍仍然然是是弹弹性性的的，隧隧道道围围岩岩除除因因爆爆破破、地地质质状状态态、施施工工方方法法等等原原因因可可能能引引起起稍稍许许松松弛弛掉掉块块外外，是是稳稳定定的的，在在这这种种情情况况下下，坑坑道道是是稳稳定定的的，原原则则上上无无需需支支护护，即即使使支支护护也也是是防防护护性性的的，支支护护方方法法一一般般可可采用采用喷浆或者喷射混凝土喷浆或者喷射混凝土；另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采用承载型的支护结构，以维护坑道

19、的稳定。时应采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。地下工程围岩支护后，相当于在围岩周边施加了一个地下工程围岩支护后，相当于在围岩周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力抗力)，从而也改变了围岩，从而也改变了围岩的二次应力状态。的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响态有着很大的影响 。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（3 3）围岩特性曲线（）围岩特性曲线（支护需求曲线支护需求曲线）支护阻力支

20、护阻力 与隧道洞壁位移与隧道洞壁位移 的关系曲线如下图所示。的关系曲线如下图所示。这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在用：在极限位移范围内极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。的承载能力就得不到充分的发挥。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构

21、类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计围岩特性曲线围岩特性曲线第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计 由围岩的支护需求曲线可知，只要在洞周达到极限位移之前，围岩与支护结构可以形成稳定的支护体系，这时支护上承受的是变形压力。如果洞周已经达到极限位移，围岩已经松弛坍塌，这时再支护的话，就承担的是松动压力。地层特征线与支护特征线地层特征线与支护特征线（4 4）支护特性曲线）支护特性曲线(支护补给曲线支护补给曲线)以以圆圆形形隧隧道道为为研研究究对对

22、象象，并并假假定定围围岩岩给给支支护护结结构构的的反反力力也也是是径径向向匀匀布布的的。因因此此，这这还还是是一一个个轴轴对对称称问问题题。相相对对于于围围岩岩的的力力学学特特性性而而言言，混混凝凝土土或或钢钢支支护护结结构构的的力力学学特特性性可可以以认认为为是是线线弹弹性性的的，也也就就是是说说作作用用在在支支护护结结构构上上的的径径向向均布压力均布压力 是和它的径向位移是和它的径向位移 成线性关系，即成线性关系，即式中的式中的 定义为支护结构的刚度定义为支护结构的刚度 。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下

23、工程支护结构类型和参数设计支护特性曲线支护特性曲线对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如下图所示。对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如下图所示。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计（5 5）围围岩岩与与支支护护结结构构准准静静力力平平衡衡状状态态的的建建立立（三三次应力场）次应力场）如如果果支支护护结结构构有有足足够够的的强强度度和和刚刚度度，则则围围岩岩的的支支护护需需求求曲曲线线和和支支护护结结构构的的支支护护补补给给曲曲线线会会相相交交一一点点，而而达达到到平平衡衡，这这个个交交

24、点点都都应应在在 或或 之之前前。随随着着时时间间的的推推移移，地地下下水水位位逐逐渐渐恢恢复复，围围岩岩物物性性指指标标恶恶化化，锚锚杆杆锈锈蚀蚀等等等等，这个平衡状态还将调整。这个平衡状态还将调整。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计围岩和支护结构的相互作用围岩和支护结构的相互作用1.1.不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的 和和 是不同的。是不同的。2.2.同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后达同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后

25、达成平衡的状态也是不同的。成平衡的状态也是不同的。第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计第五章地下工程支护结构类型和参数设计三、支护结构补给曲线（支护特性曲线）三、支护结构补给曲线（支护特性曲线）作用在支护结构上的径向匀布压力作用在支护结构上的径向匀布压力P Pa a是和它的径向位是和它的径向位移移u us s成线性关系，即：成线性关系，即：支护刚度：支护刚度：不同的支护结构有不同的支护刚度。（1）混凝土或喷射混凝土 当喷层厚度ds较小时（ds0.04r0），采用厚壁圆筒计算公式：锚杆支护：锚杆支护：组合式支护结构：组合式支

26、护结构：喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，组合支护刚度为：喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，组合支护刚度为：（2）灌浆锚杆 灌浆锚杆对围岩变形的支护抗力是通过锚杆与胶结材料之间的剪应力传递的，约束能力与灌浆的质量有关。一般通过锚杆的拉拔试验得到的荷载与位移的关系来确定。pamax 最大轴力，可由下列情况中最小值决定。量测表明：锚杆的粘结力沿其长度是非均匀分布的。轴力最大值分布在锚杆长度的1/2处左右，假定为三角形分布。锚杆的最大位移可表达为：灌浆锚杆轴力、剪应力及位移分布灌浆锚杆轴力、剪应力及位移分布概念：支护所受的压力及变形，来自于围岩在自身平衡过程概念：支护所受的压力及变形，来自于围岩在自身平衡过

27、程中的变形对支护结构的作用。因此，围岩性态及其变化状态中的变形对支护结构的作用。因此，围岩性态及其变化状态对支护的作用有重要影响。另一方面，支护以自己的刚度和对支护的作用有重要影响。另一方面，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进一步发展，而这一过程同样也强度抑制岩体变形和破裂的进一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受力。于是，围岩与支护形成一种共同体；影响支护自身的受力。于是，围岩与支护形成一种共同体；共同体两方面的共同体两方面的耦合耦合作用和互为影响的情况称为围岩作用和互为影响的情况称为围岩-支护共支护共同作用同作用。四、围岩与支护结构的相互作用四、围岩与支护结构的相互作用 (1

28、)(1)不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的P Pa a和和u us s是是不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩压力，反之，不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩压力，反之，柔性支护结构承受较小的围岩压力。柔性支护结构承受较小的围岩压力。(2)(2)同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。支护结构架设越早，承受的压成平衡的状态也是不同的。支护结构架设越早，承受的压力就越大，但不能说架设越迟越好。力就越大，但不能说架设越迟越好。锚杆支护曲线锚杆支护曲线、混凝土支护曲线混凝土支护曲线组合结构支

29、护曲线组合结构支护曲线1 1、隧道结构体系对支护结构的基本要求、隧道结构体系对支护结构的基本要求 （1 1）必须能与围岩大面积地牢固接触，使支护结构与）必须能与围岩大面积地牢固接触，使支护结构与围岩作为一个整体进行工作；围岩作为一个整体进行工作；（2 2）要允许地下结构体系能产生有限制的变形，以充）要允许地下结构体系能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少支护结构的作用，使两者更加分发挥围岩的承载能力而减少支护结构的作用，使两者更加协调地工作；协调地工作；（3 3）要能分期施工，并使早期支护和后期支护相互配）要能分期施工，并使早期支护和后期支护相互配合，合，“主动主动”控制围岩的变形

30、；控制围岩的变形；（4 4）作为支护结构还是要满足易于架设，构件可以互）作为支护结构还是要满足易于架设，构件可以互换，断面类型单一等施工技术上的要求。换，断面类型单一等施工技术上的要求。第二节第二节 支护结构的设计原则支护结构的设计原则初步地质调查和室内岩石力学试验初步地质调查和室内岩石力学试验预设计支护结构和施工决策预设计支护结构和施工决策施工监测施工监测分析监测数据分析监测数据满足要求满足要求按设计施工按设计施工不满足要求不满足要求修修改改地地质质参参数数并重新设计并重新设计信息化设计施工流程：支护结构类型的选择和设计支护结构类型的选择和设计木支撑木支撑钢支撑（钢支撑（钢拱架、格栅拱架钢拱

31、架、格栅拱架）锚杆锚杆（增强岩体强度）（增强岩体强度）金属网支护金属网支护喷射混凝土（素混凝土、纤维混凝土）喷射混凝土（素混凝土、纤维混凝土）模注混凝土（人工灌注、泵灌注）模注混凝土（人工灌注、泵灌注）复合式结构复合式结构 圣哥达隧道的木支撑圣哥达隧道的木支撑用碎石回填用碎石回填371 1、钢拱架、钢拱架 当当围围岩岩软软弱弱破破碎碎严严重重时时，自自稳稳性性差差，早早期期支支护护需需要要有有较较大大刚刚度，以阻止围岩过度变形和承受部分松弛荷载。度，以阻止围岩过度变形和承受部分松弛荷载。组成：型钢，工字钢，钢管或钢筋（图格栅钢拱架）。组成：型钢，工字钢，钢管或钢筋（图格栅钢拱架）。394042

32、4344网喷和钢纤维喷混凝土网喷和钢纤维喷混凝土2 2、衬砌设计时两点注意事项：、衬砌设计时两点注意事项：（1 1）支护结构为）支护结构为封闭式封闭式；（2 2）尽量避免受弯矩作用尽量避免受弯矩作用：通过配筋而非增加厚度来：通过配筋而非增加厚度来提高强度；支护要圆顺，尽量接近圆形；设置铰或纵向伸缩提高强度；支护要圆顺，尽量接近圆形；设置铰或纵向伸缩缝，但需注意防水问题。缝，但需注意防水问题。第三节第三节 铁路隧道支护类型选择和设计参数铁路隧道支护类型选择和设计参数1 1、复合式衬砌设计，应符合下列规定：、复合式衬砌设计，应符合下列规定：（1 1）复合式衬砌设计应综合考虑包括围岩在内的支护）复合

33、式衬砌设计应综合考虑包括围岩在内的支护结构、断面形状、开挖方法、施工顺序和断面的闭合时间等结构、断面形状、开挖方法、施工顺序和断面的闭合时间等因素，因素，力求充分发挥围岩所具有的自承能力力求充分发挥围岩所具有的自承能力。（2 2）复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护；二次）复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护；二次衬砌宜采用模筑混凝土，宜等厚截面，连接圆顺；衬砌宜采用模筑混凝土，宜等厚截面，连接圆顺；（3 3）各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑）各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，限界要求外，还应预留适当的围岩变形量还应预留适当的围岩变形量，其量值可根据围，其量值可根

34、据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件，岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件，采用工程类比法确定；当无类比资料时，可参考下表采用。采用工程类比法确定；当无类比资料时，可参考下表采用。预留变形量（预留变形量（mmmm）围岩级别单线隧道双线隧道II1030III10303050IV30505080V507080120VI由设计确定设计确定（4 4）复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数，可参照表）复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数，可参照表 单线隧道复合式衬砌的设计参数单线隧道复合式衬砌的设计参数围围岩岩级别级别初初 期期 支支 护护二次二次衬衬砌厚度砌厚度（

35、cm）喷喷射混凝土射混凝土厚度（厚度（cm）锚锚 杆杆钢钢筋网筋网钢钢架架拱拱墙墙仰拱仰拱拱拱墙墙仰拱仰拱位置位置长长度度（m）间间距距（m）II525III7局部局部设设置置2.01.21.525IV10拱、拱、墙墙2.02.51.01.2必要必要时设时设置置 25 253040V15221522拱、拱、墙墙2.53.00.81.0拱拱墙墙、仰拱、仰拱 20 20必要必要时设时设置置3540VI通通 过过 试试 验验 确确 定定双线隧道复合式衬砌的设计参数双线隧道复合式衬砌的设计参数围围岩岩级别级别初初 期期 支支 护护二次二次衬衬砌厚砌厚度（度（cm）喷喷射混凝土射混凝土厚度（厚度（cm）

36、锚锚 杆杆钢钢筋网筋网钢钢架架拱拱墙墙仰拱仰拱拱拱墙墙仰拱仰拱位置位置长长度度（m）间间距距（m）II58局部局部设设置置2.02.51.530III81010拱、拱、墙墙2.02.51.21.5必要必要时设时设置置 25 253535IV15221522拱、拱、墙墙2.53.01.01.2拱拱墙墙、仰拱、仰拱 25 25必要必要时设时设置置3535V20252025拱、拱、墙墙3.03.50.81.0拱拱墙墙、仰拱、仰拱 20 20拱拱墙墙、仰拱、仰拱4040VI通通 过过 试试 验验 确确 定定4/20/2024/112534/20/2024/112544/20/2024/11255565

37、758梁板模板示意图梁板模板示意图59602 2、喷锚衬砌设计，应符合下列规定：、喷锚衬砌设计，应符合下列规定：（1 1）喷锚衬砌内部轮廓应比整体式衬砌适当放大，除）喷锚衬砌内部轮廓应比整体式衬砌适当放大，除考虑施工误差和位移量外，考虑施工误差和位移量外，应再预留应再预留10cm10cm作为必要时补强用。作为必要时补强用。（2 2）遇下列情况，不应采用喷锚衬砌：）遇下列情况，不应采用喷锚衬砌：1 1）地下水发育或大面积淋水地段；）地下水发育或大面积淋水地段；2 2）能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段；）能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段；3 3）最冷月平均气温低于）最冷月平均气温低于-5-5地区的

38、冻害地段；地区的冻害地段；4 4）有其他特殊要求的隧道。）有其他特殊要求的隧道。（3 3）喷锚衬砌的设计参数，可参照下表选用。）喷锚衬砌的设计参数，可参照下表选用。喷锚衬砌的设计参数喷锚衬砌的设计参数围围岩岩级别级别单线单线隧道隧道双双线线隧道隧道I喷喷射混凝土厚度射混凝土厚度5cm喷喷射混凝土厚度射混凝土厚度8cm，必要，必要时设时设置置锚锚杆，杆，长长1.52.0m，间间距距1.21.5mII喷喷射混凝土厚度射混凝土厚度8cm，必要，必要时设时设置置锚锚杆，杆，长长1.52.0m，间间距距1.21.5m喷喷射混凝土厚度射混凝土厚度10cm，锚锚杆杆长长2.02.5m，间间距距1.01.2m

39、，必要，必要时设时设置局部置局部钢钢筋网筋网3 3、整体式衬砌设计，应符合下列规定：、整体式衬砌设计，应符合下列规定：（1 1）单线隧道洞口段，当线路中线与地形等高线斜交，）单线隧道洞口段，当线路中线与地形等高线斜交，围岩为围岩为IIIIIIII级时，可采用斜交衬砌。双线斜交衬砌的选用应级时，可采用斜交衬砌。双线斜交衬砌的选用应慎重考虑。慎重考虑。（2 2）最冷月平均气温低于）最冷月平均气温低于-15-15的地区，应根据情况设置的地区，应根据情况设置变形缝。变形缝。（3 3）各级围岩地段拱部衬砌背后应压注不低于）各级围岩地段拱部衬砌背后应压注不低于M20M20的水泥的水泥砂浆。砂浆。4 4、初

40、期支护的组成应根据围岩的性质及状态、地下水情况、初期支护的组成应根据围岩的性质及状态、地下水情况、隧道断面尺寸及其埋置深度等条件确定：隧道断面尺寸及其埋置深度等条件确定：（1 1）系统锚杆应沿隧道周边均匀布置，在岩面上按）系统锚杆应沿隧道周边均匀布置，在岩面上按梅花梅花梅花梅花形形形形布置，其方向应接近于径向或垂直岩层，并应根据使用目的布置，其方向应接近于径向或垂直岩层，并应根据使用目的和围岩性质及状态等确定锚杆的类型、锚固方式、长度等。和围岩性质及状态等确定锚杆的类型、锚固方式、长度等。64级围岩复合式衬砌级围岩复合式衬砌断面图断面图(1:100)(1:100)锚杆布置示意图锚杆布置示意图

41、（2 2）自稳时间短、初期变形大的地层，或对地面下沉量）自稳时间短、初期变形大的地层，或对地面下沉量有严格限制时，应采用钢架。根据围岩条件的不同，可选择有严格限制时，应采用钢架。根据围岩条件的不同，可选择仅在隧道拱部设置的钢架或在拱部及墙部设置的开口式钢架。仅在隧道拱部设置的钢架或在拱部及墙部设置的开口式钢架。在软弱围岩中应采用封闭式钢架。格栅钢架主筋的直径不宜在软弱围岩中应采用封闭式钢架。格栅钢架主筋的直径不宜小于小于18mm18mm，各排钢架间应设置钢拉杆，其直径宜为，各排钢架间应设置钢拉杆，其直径宜为2022mm2022mm。（3 3）松散、破碎或膨胀性围岩中宜采用钢筋网喷射混凝）松散、

42、破碎或膨胀性围岩中宜采用钢筋网喷射混凝土作初期支护，其厚度不宜小于土作初期支护，其厚度不宜小于100mm100mm，钢筋网应以直径，钢筋网应以直径68mm68mm的钢筋焊接而成，钢筋间距宜为的钢筋焊接而成，钢筋间距宜为150300mm150300mm，钢筋网搭，钢筋网搭接长度应为接长度应为1212个网孔。个网孔。5 5、衬砌仰拱应具有与其使用目的相适应的强度、刚度和耐久、衬砌仰拱应具有与其使用目的相适应的强度、刚度和耐久性。仰拱厚度宜与拱、墙厚度相同。性。仰拱厚度宜与拱、墙厚度相同。（1 1）仰拱施工前必须清除干净；）仰拱施工前必须清除干净；（2 2）仰拱应超前拱墙施做，宜超前）仰拱应超前拱墙

43、施做，宜超前3 3倍以上衬砌作倍以上衬砌作业长度；业长度；（3 3）仰拱施工缝、变形缝应做防水处理；）仰拱施工缝、变形缝应做防水处理；（4 4）仰拱应一次成型，不得分部灌筑。）仰拱应一次成型，不得分部灌筑。6 6、隧道喷混凝土应在开挖后及时进行。、隧道喷混凝土应在开挖后及时进行。大瑶山隧道支护结构参数围围岩岩级级别别初期支初期支护护形形式式锚锚 杆杆喷喷混凝混凝土厚度土厚度（cm）钢钢筋网筋网仰拱仰拱厚度厚度（cm）钢钢支支撑撑二次二次衬衬砌厚度砌厚度（cm）根数根数长长度度（m）直直 径径(mm)间间 距距（m）直直 径径(mm)格格 距距(cm)II喷喷混凝土，混凝土，局部局部锚锚杆杆视视

44、具体具体情况而定情况而定22630III喷喷混凝土，混凝土，系系统锚统锚杆，杆，拱部金属网拱部金属网152.0221.5106202035IV全断面全断面喷锚喷锚网网193.0221.2146202030必要必要时设时设拱拱顶顶截面截面40cm，变变截面截面V全断面全断面喷锚喷锚网网233.5221.0188202040必要必要时设时设拱拱顶顶截面截面50cm，变变截面截面 例例 大瑶山隧道全长大瑶山隧道全长14.3km14.3km，是我国目前最长的双线铁，是我国目前最长的双线铁路隧道，隧道的支护结构参数示于表。路隧道，隧道的支护结构参数示于表。级围岩衬砌断面（单位：钢筋直径以级围岩衬砌断面（

45、单位：钢筋直径以mm计，余均以计，余均以cm计）计）级围岩衬砌断面（单位：级围岩衬砌断面（单位：cm）第四节第四节 盾构隧道衬砌类型选择和设计参数盾构隧道衬砌类型选择和设计参数一、盾构隧道衬砌结构类型选择一、盾构隧道衬砌结构类型选择 盾构法修建的区间隧道衬砌有预制装配式衬砌、预制装盾构法修建的区间隧道衬砌有预制装配式衬砌、预制装配式衬砌和模注钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌以配式衬砌和模注钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌以及挤压混凝土整体式衬砌三大类：及挤压混凝土整体式衬砌三大类：盾构法修建的隧道衬砌结构盾构法修建的隧道衬砌结构a a单层装配式衬砌单层装配式衬砌 b b双层衬砌双层衬砌

46、 c c挤压混凝土整体衬砌挤压混凝土整体衬砌1 1预制装配式衬砌预制装配式衬砌 预制装配式衬砌是用工厂预制的构件，称为管片，在盾预制装配式衬砌是用工厂预制的构件，称为管片，在盾构尾部拼装而成的。管片种类按材料可分为钢筋混凝土，钢、构尾部拼装而成的。管片种类按材料可分为钢筋混凝土，钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片。铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片。按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱型和平板型按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱型和平板型两类。两类。箱型管片箱型管片 平板型管片平板型管片 衬砌环内管片之间以及各衬砌环之间的连接方式，从其衬砌环内管片之间以及各衬砌环之间的连接方式，

47、从其力学特性来看，可分为柔性连接和刚性连接，目前较为通用力学特性来看，可分为柔性连接和刚性连接，目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：的是柔性连接，常用的有以下几种形式：（1 1）单排螺栓连接：）单排螺栓连接：按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种。直螺栓连接和斜螺栓连接三种。（2 2）销钉连接：）销钉连接：所用的销钉可在所用的销钉可在管片预制时埋入，亦可在拼装时安装。管片预制时埋入，亦可在拼装时安装。作用除为了临时稳定管片，保证防水密作用除为了临时稳定管片，保证防水密封垫的压力外，在安装管片时还起导向封垫的压力外，在安装管片时还起导向

48、作用，将相邻衬砌环连在一起。用销钉作用，将相邻衬砌环连在一起。用销钉连接的管片形状简单，截面无削弱，建连接的管片形状简单，截面无削弱，建成的隧道内壁光滑平整。和螺栓连接相成的隧道内壁光滑平整。和螺栓连接相比既省力、省时，价格又低廉，连接效比既省力、省时，价格又低廉，连接效果也相当好。果也相当好。（3 3）无连接件。）无连接件。在稳定的不透水地层中，圆形衬砌在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。的径向接缝也可不用任何连接件连接。关于装配式衬砌的防水问题，一直是盾构法施工中的关于装配式衬砌的防水问题，一直是盾构法施工中的重要课题。金属管片本身不透水，而且加工精度高，拼装重

49、要课题。金属管片本身不透水，而且加工精度高，拼装后管片接缝非常密贴，几乎不透水，因此，仅需在隧道内后管片接缝非常密贴，几乎不透水，因此，仅需在隧道内壁用防水材料对接缝进行嵌填，并对螺栓孔和注浆孔进行壁用防水材料对接缝进行嵌填，并对螺栓孔和注浆孔进行防水处理。防水处理。螺栓孔密封防水螺栓孔密封防水 2 2双层衬砌双层衬砌 为了防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，为了防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。南水北

50、调中线一期穿黄工程南水北调中线一期穿黄工程南水北调中线一期穿黄工程南水北调中线一期穿黄工程7980二、横截面内轮廓和结构尺寸拟定二、横截面内轮廓和结构尺寸拟定 1 1横截面内轮廓尺寸横截面内轮廓尺寸 横截面的内轮廓尺寸横截面的内轮廓尺寸全线是同一全线是同一的，故除要根据建筑限界、的，故除要根据建筑限界、施工误差、道床类型、预留变形等条件决定外，还要按线路的施工误差、道床类型、预留变形等条件决定外，还要按线路的最小曲线半径进行验算，保证列车在最困难条件下也能安全通最小曲线半径进行验算，保证列车在最困难条件下也能安全通过。广州、上海地下铁道的圆形区间隧道内径为过。广州、上海地下铁道的圆形区间隧道内